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janvier 2015

Les bus électriques de retour grâce aux nouvelles batteries et aux techniques hybrides

L’électromobilité fait à nouveau parler d’elle. Par sa taille, par ses rails, et sa caténaire, le tramway, souvent habillé d’un design attrayant, a séduit l’Île-de-France et les métropoles régionales les plus importantes. Mais les coûts d’investissement à consentir (de l’ordre de 23 M€ HT par kilomètre de ligne réalisée en province) le rendent diffici­lement compatible avec les capacités de financement désor­mais réduites des collectivités territoriales.

Les différents modes de propulsion présents sur le marché actuel des autobus

Il existe aujourd’hui différents types de motorisation sur le marché du bus. La motorisation majoritaire est évidemment le bus Diesel, mais récemment de nombreux industriels pro­posent des motorisations alternatives : GNV (Gaz Naturel pour Véhicules), Hybride Diesel-Electrique, GNV Hybride, Trolley-bus.

Le mode «Diesel» n’a pas fini de parler de lui

Le diesel a au moins deux propriétés extraordinaires, qui expliquent son succès : sa densité énergétique (le rapport kWh/kg) très élevée, et son état liquide à température ambiante le rendent relativement facile à stocker (dans des cuves à la station-service, dans de simples réservoirs à bord des véhicules) et à manipuler (le plein est fait en cinq à dix minutes lors du retour au dépôt le soir).

Le GNV

Dès 1862, le premier véhicule au gaz naturel était construit par le Français Etienne Lenoir, bien avant que les véhicules au diesel et à l’essence ne voient le jour.

Le vrai redémarrage des bus fonctionnant au gaz naturel se fait vers 1994. À ce jour, plus de 2 550 bus roulent au GNV en France. L’avantage du GNV par rapport au diesel est notam­ment l’absence d’émission de particules.

L’inconvénient majeur vient de son stockage par bombonne, très volumineux et lourd, et aussi de l’installation de rechar­gement au dépôt importante et complexe.

Le mode «Trolleybus»

Le premier trolleybus a circulé en 1882 dans la région de Berlin. Il était fabriqué par la société Siemens. Son apparence le situe entre l’autobus (pas de guidage au sol) et le tramway (alimentation électrique par caténaire ou rail dans une rainu­re dans le sol).

Les super-condensateurs et des batteries qui récupèrent l’énergie de freinage, ne nécessitent plus l’utilisation d’un moteur thermique d’appoint et rendent le trolleybus plus autonome.

Le mode «Hybride Diesel-Electrique»

Les premiers véhicules hybrides sont en circulation depuis le début des années 1990. Cette technologie permet d’économiser environ 20% à 30% de carburant par rapport à un bus diesel standard. Toutefois il n’est jamais certain que les éco­nomies de carburant réalisées au cours des 15 ans de durée de vie du véhicule pourront compenser le surcoût de l’équipement embarqué. Deux systèmes hybrides existent :

  • Hybride série : En hybride série, un moteur à combustion thermique entraîne une génératrice qui charge les batte­ries. La traction du bus est réalisée par des moteurs élec­triques sur certains essieux, voire des moteur-roues, qui consomment de l’électricité en traction, et qui en restituent au freinage. La récupération d’énergie au freinage repré­sente ainsi environ 20% d’économie d’énergie.
  • Hybride parallèle : Les deux moteurs électrique et ther­mique sont connectés à une unité motrice mécanique qui propulse le véhicule. De plus, le moteur thermique est éga­lement relié à une génératrice produisant de l’électricité (pour l’alimentation de la batterie ou du moteur élec­trique). La récupération d’énergie se fait au travers de la génératrice et se stocke dans la batterie électrique. Le mode parallèle est a priori plus adapté aux cycles de conduite interurbains, et il équipe notamment la Toyota Prius.

Le mode «Pile à combustible»

En transformant sur place son hydrogène en électricité, la pile à combustible fabrique son électricité à bord. Les constructeurs qui proposent des autobus «pile à combus­tible» sont encore peu nombreux. Mercedes possède actuel­lement deux références alors que les constructeurs MAN / Neoplan, IVECO Bus et Van Hool n’en possèdent qu’une. La difficulté à établir un réseau de rechargement en hydrogène, plus ardu que le GNV, explique le retard du développement de cette filière.

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Biberonnage en station par un bras articulé

Vers l’électromobilité

Le bus électrique est souhaité par les villes (comme d’ailleurs les camions bennes à ordure qui étaient encore en service à Paris en 1947) parce qu’ils sont silencieux et qu’ils ne polluent pas.

L’idéal veut que l’électricité qui va dans les batteries soit pro­duite par des centrales qui ne rejettent pas de CO2.

L’idéal veut ensuite que les batteries du bus, une fois char­gées pendant la nuit au dépôt, puissent fournir de l’énergie pendant les douze ou quinze heures d’utilisation quotidien­ne.

L’idéal veut enfin que les batteries ne pèsent pas trop lourd.

Pour être compétitives avec le Diesel, les batteries doivent atteindre des densités énergétiques et des densités de puis­sance suffisantes pour atteindre une autonomie supérieure à 100 km pour des lignes de bus urbaines, ou permettre des recharges ultra-rapides en station et aux terminus afin de pallier ce manque d’autonomie. Le rechargement peut alors se faire par contact entre le véhicule et la borne de recharge­ment (Watt-System, TOSA), ou par induction (Primove).

  • Plus la densité de puissance (W/kg) est importante, plus les moteurs puissants pourront effectuer de fortes accéléra­tions, et plus les recharges seront rapides.
  • Plus la densité d’énergie (Wh/kg) est importante, plus le véhicule pourra être autonome à poids égal.
  • La charge à l’essieu des bus est limitée par le Code de la route : 13 tonnes, etc. Donc plus le matériel roulant est lourd, moins grande sera la capacité d’emport du bus en passagers. L’amélioration de la densité d’énergie et de la densité de puissance des batteries permet aujourd’hui d’envisager l’exploitation de véhicules de grande longueur (bus standards 12 mètres, articulés de 18 mètres, biarticulés de 24 mètres) et de grande capacité. De ce fait on ne peut plus reprocher aux bus électriques de transporter des batteries au lieu de transporter des passagers.

Quelques modèles en exploitation ou en expérimentation

WATT

Le projet WATT est un projet de l’entreprise PVI proposant un bus à recharge par biberonnage. Un bras télescopique situé sur le toit du bus per­met grâce à une rechar­ge en dix secondes de fournir assez d’énergie afin de circuler sur une distance d’environ six cent à huit cent mètres. Le projet est actuelle­ment en cours de test en grandeur nature sur l’aéroport de Nice pour une mise en exploita­tion prévue pour 2015. Le contact entre le bras et le totem de recharge­ment s’effectue perpen­diculairement au sens de la marche.

Cliquez pour agrandir Le bras articulé de TOSA vient capter le courant sur le rail de contact situé en auvent

TOSA

Le projet TOSA, est un projet de bus articulé électrique à rechargement ponc­tuel. Le démonstra­teur (un bus articulé HESS, une recharge en terminus et une recharge flash), est actuellement en exploitation depuis mai 2013 par les TPG (Transports Publics de Genève) trois jours par semaine sur un circuit de 3,1 km entre la foire exposition Palexpo et l’aéroport. De façon analogue au projet WATT, ce bus possè­de un bras télescopique qui le met en contact durant quinze secondes avec l’installation de rechargement, lui fournissant une forte quantité d’énergie. Le contact entre le bras et le totem de rechargement s’effectue verticalement.

Le concept TOSA est basé sur des rechargements de trois types :

  • Rechargement «flash» dans certaines stations, à une puis­sance de 400 kW pendant 15 secondes, ce qui permet de récupérer environ 1 km d’autonomie à plat.
  • Rechargement «lent» au terminus : le bus est rechargé à 50 kW pendant trois à quatre minutes, afin de récupérer la charge nominale de la batterie. 

PRIMOVE

Le projet PRIMOVE est un projet mis en place par Bombardier Transport afin d’effectuer des recharges par induction. Ce système est adaptable sur différents types de véhicules selon l’entreprise, comme le tramway, bus ou véhicule utilitaire. De la même manière que les systèmes à rechargement ponctuel comme TOSA ou WATT, le système PRIMOVE nécessite des arrêts fréquents afin de se recharger.

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METTIS, le Bus à Haut Niveau de Service de Metz

Les différents types de batteries ou accumulateurs les plus utilisés de nos jours sur les autobus

Les batteries

Il existe différents types de batteries chimiques dans le domaine des transports :

  • Les batteries Acide-Plomb sont aujourd’hui encore utilisées pour quelques véhicules de petites capacités telles que les voiturettes de golf. Elles sont très sensibles aux faibles tem­pératures.
  • Les batteries Ni-Cad (Nickel-Cadmium) sont historique­ment les batteries qui furent utilisées pour les véhicules entièrement électriques des années 1990. Or le Cadmium a été supprimé des systèmes de production européens. Elles sont très sensibles aux faibles températures.
  • Les batteries Ni-Mh (Nickel-hydrure métallique) qui sont les batteries les plus couramment utilisées dans le milieu auto­mobile hybride (Ref : Toyota Prius). Cependant elles sont sensibles aux températures basses.
  • Les batteries Li-ion ou Li-polymère (Lithium) sont les batte­ries les plus utilisées pour les véhicules automobiles entiè­rement électriques.

Elles sont moyennement sensibles aux basses températures. Elles n’utilisent plus de lithium métallique mais davantage d’ions de lithium.

Les batteries lithium-ion les plus présentes sur le marché sont :

  • Phosphate LiFePO4 : elles sont considérées comme plus stables que les autres et possèdent une bonne résistance thermique. Elles sont de même plus stables en cas de sur­charge et n’ont pas la capacité de s’enflammer. En revanche, elles possèdent une puissance et une énergie plus faibles. Elles sont actuellement sujettes à diverses recherches afin d’améliorer leur performances car elles ont un impact environnemental faible.
  • Cobalt LiCo2 : à oublier pour l’application transport. Le cobalt coûte cher. Elles sont inflammables malgré l’utilisation de polymère.
  • Manganèse LiMn204 : ce matériau est utilisé dans les bat­teries au lithium car il est plus stable et moins onéreux que le cobalt. Leur puissance est supérieure (3.8 à 4V) mais leur densité en énergie est un peu plus faible. Pas un grand ave­nir pour le transport.
  • Amalgame : le concept de l’amalgame parfois nommé «1/3» consiste à mélanger différents réactants, incluant le cobalt et le manganèse, afin d’obtenir une chimie possé­dant de meilleures performances. Les amalgames permet­tent de combiner les avantages des différents matériaux, réduisant les risques et les coûts d’acquisition des métaux onéreux.
  • Lithium Métal Polymère : les batteries lithium métal poly­mère sont des batteries conçues spécialement pour le domaine des transports car elles possèdent une grande densité énergétique et le polymère permet une meilleure stabilité et moins de risque d’inflammation. Elles emploient un film lithium métallique comme anode, afin d’obtenir une plus grande longévité.

Conclusion

La motorisation des autobus revient à l’électricité comme avant la guerre de 1939. Elle fait pour le moment appel à une autre source d’énergie concomitante qui permet une plus grande autonomie et d’effectuer en toute sécurité des plus grands parcours.

La pile à hydrogène est en voie de développement. Elle est bien adaptée à l’autobus. Son utilisation est conditionnée à l’installation de stations d’hydrogène dans les dépôts.

Moins de bruit, moins de vibrations, plus de confort à bord, infrastructure de rechargement légère, un coût d’investissement raisonnable, le bus électrique réunit aujourd’hui les ingrédients pour un développement rapide dans les toutes prochaines années. ■

Bibliographie :

www.avem.fr

Vidéos de démonstration :

Primove :

https://www.youtube.com/watch?v=0bboTjRCkk0

https://www.youtube.com/watch?v=dj5rsL2hpjY

https://www.youtube.com/watch?v=i6dssNI3AZM

 

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